产品设计中材料的选择与开发

产品设计中材料的选择与开发1设计材料的选用2材料工程的发展3设计材料的开发产品设计中材料的选择与开发1设计材料的选用1．1设计材料的选择原则设计材料的种类多，量大面广。在设计中如何正确、合理地选用材料是一个实际而又重要的问题。设计材料的选择应遵循以下原则。①材料的外观：考虑材料的感觉特性。根据产品的造型特点、民族风格、时代特征、及区域特征，选择不同质感、不同风格的材料。②材料的固有特性：材料的固有特性应满足产品功能、使用环境、作业条件和环境保护的需要。③材料的工艺性：材料应具有良好的工艺性能，符合造型设计中成型工艺、加工工艺和表面处理的要求，应与加工设备及生产技术相适应。④材料的生产成本及环境因素：在满足设计要求的基础上，尽量降低成本，优先选用资源丰富、价格低廉、有利于生态环境保护的材料。⑤材料的创新：新材料的出现为产品设计提供更广阔的前提，满足产品设计的要求。1．2影响材料选择的基本因素除材料本身的固有特性外，影响材料选择的基本因素主要有以下几个方面。(1)功能无论怎样的产品，都必须首先考虑产品应具有怎样的功能和所期望的使用寿命。这样的考虑必定会在选用何种材料更合适方面做出总的指导。(2)基本结构要求如何综合平衡设计中对产品的功能、人机工程学和美学方面的要求，以及针对批量生产特点的机械结构、加工工艺难点和由此产生的成本问题等加以解决，已成为材料选择中的主要问题。其中材料的耐久性应是材料选择中必须最先考虑的。在大多数情况下，这样的考虑比仅考虑美学品质或节约成本而选用可能导致产品在使用过程中过早废弃的劣质材料，显然要有意义的多。(3)外观产品的外观在一定程度上受其可见表面的影响，并受材料所能允许的制造结构形式的影响，因此，外观也是材料选择应考虑的一个重要因素。就产品的表面效果来看，材料还影响着表面的自然光泽、反射率与纹理，影响着所采用的表面装饰材料和方式，影响着装饰的外观效果和在使用期限内的老化程度与速度。至于造型所采取的制造工艺与手段，如浇铸、模铸、冲压、弯折或切削等也在很大程度上依赖于所采用的材料。(4)安全性安全是最基本的因素。材料的选择应按照有关的标准选用，并充分考虑各种可能预见的危险。例如医院的某些电疗设备中与病人接触的部位，其表面应选择绝缘且抗静电的材料；在设备较暴露的位置若配置普通的平板玻璃，就易于碰撞碎裂而造成人身伤亡；在设备内部若选用易于泛潮的塑料轴承，就会因隐匿着腐蚀的危险性造成质量恶化而导致至关重要的控制件失灵。(5)控制件控制件对材料的选择也有其特殊的需求。例如，操纵键盘的材料应具有恰当的接触摩擦性和冲击回弹性，以保证可靠操作和手感舒适；用作控制面板的材料应选择反射率较低并易于在其表面形成图样符号或易于贴附图样符号的材料制作，以减少眩光和便于指示控制动作。(6)抗腐蚀性抗腐蚀性是材料选择的另一个重要准则，因为它影响着产品的操作、外观、寿命和维护。在直接涉及人身安全的场合，则必须通过材料的选择来防止危险的腐蚀。例如，为了保证维修、测试、操作过程的安全，对设备中必须具备的升降机或其他必须保证生命安全为主的设备，其材料的选择就应该以保证安全为前提。(7)市场设计者必须对未来可能使用自己所设计产品的消费者进行调研。如果可能，应尽量使自己的产品达到或超出消费者所期望的程度。对于材料，要考虑到消费者的态度往往受他所接触的各类产品的影响。有时消费者所期望的材料也许恰恰是设计者并不准备采用的。在有些情况下，消费者对某些产品所选用的材料还受到传统习惯的束缚，在一定时间内未必会被消费者接受。当然，这并不等于说产品选用的材料就必须永远停滞在传统的水平上。随着科学技术水平的发展，新材料、新技术的不断出现势在必然。问题在于当我们选择新材料替代传统材料时，如何在造型设计上、在广告宣传上设法让消费者能够更快地适应和接受。2材料工程的发展图5—1为材料科学与工程领域研究的四大主题及其相互关系，其中，“应用需求”提供了本学科与社会交互作用的通道，经由这一通道，社会向材料工作者提供需求信息，材料工作者向社会提供能满足需求的材料或材料产品；“合成与加工”与社会存在着一定的相互作用，这主要体现在对环境的影响方面，例如，加工过程中污染物的排放、能耗大小等；“材料结构成分”主要研究材料内部的化学成分、晶体结构、显微结构、复合结构的成因，以及这些结构对性能的影响；“材料性能”主要研究性能的评价方法、测试方法及影响因素。随着人类文明的进步，面对人类需求在质和量方面的不断增长，对材料品种和性能的要求越来越高，材料科学与工程领域发生着日新月异的变化，主要特征体现在以下几方面。①新构思、新观念不断涌现，成为此领域迅速发展的强大推力。例如，材料低维化，由三维块体材料向二维薄膜材料、一维纤维材料、零维原子簇和纳米粉体材料发展；材料梯度化，利用特殊制备方法可将不同的两种材料平缓地、无界面的连接在一起；材料复合化，包括纤维复合、颗粒复合、纳米复合、原位复合等；材料仿生化，师法自然可以做到结构仿生(形似)和功能仿生(神似)；材料智能化，集传感、执行功能为一体；材料绿色化，积极探索废弃材料的二次利用，大力发展绿色材料。②营造特殊环境，利用极端手段，制备特殊材料，获取特殊性能。例如，在微重力条件下制备超纯晶体材料、特殊自润滑材料、优良磁性材料和超导材料等；在高温、高压条件下合成金刚石、氧化物和非氧化物超硬材料；在快速冷却条件下生产非晶态材料、微晶材料和纳米材料；在自蔓延条件下合成各类金属间化合物、梯度材料；在激光束、电子束、离子束作用下制备各类非平衡材料、实施材料表面改性。③强烈依赖其它高新技术，材料领域成为其它高新技术综合应用的实验地。当今新材料的合成和制备大多在高温、高真空、特殊气氛等非平衡环境中进行。20世纪80年代后期纳米器件(巴基球)的发现就是综合应用激光技术、高真空技术和精细测试技术的范例，发现者因此于1996年获得诺贝尔奖。④经济实力成为制约材料领域发展速度、深度和广度的关键因素。20世纪90年代，美国每年用于材料研制和开发的费用均为数十亿美元；日本、美国，德国、法国等发达国家先后制定了材料资助项目，对新材料研制和开发给予了高度重视。各国都希望材料这块“基石”更加牢固，以便在这块“基石”上建筑更加雄伟的人类文明大厦。3设计材料的开发对于新材料的发现和研制，材料开发循环过程为：功能需求分析--确定性能指标--确定材料体系和加工方法--材料成分设计和工艺参数优化--性能评价--应用--产品失效分析，然后进入下一个循环，直至达到预定要求(如图5—2)。3．1新材料新材料是指采用新工艺、新技术合成的具有各种特殊机能(光、电、声、磁、力、超导、超塑等)或者比传统材料在性能上有重大突破(如超强、超硬、耐高温等)的一类材料。新材料发展的标志：①引起生产力的大发展，推动社会进步。从石器、陶瓷器、青铜，铸铁、钢、塑料到各种新材料的出现，均标志着一个相应经济发展的历史时期。例如，单晶硅的问世，导致以计算机为主体的微电子工业的迅猛发展；光导纤维的出现，使整个通讯业起了质的变化。②根据需要设计新材料，一改以往根据产品功能来选择材料的方式，而是建立一种由料来设计产品的新观念。这种材料设计可以从组成、结构和工艺来实现设计产品的观念。更重要的一点是：一种新材料已经不是只具有某一单一功能，在一定条件下可能具有多种功能，从而使材料为高新技术产品的智能化，微型化提供基础。3．2新材料对产品造型设计的影响和作用新材料对产品造型设计的影响的作用，可归纳如下几方面。①在产品进一步电子化、集成化和小型化的趋势下，新材料的使用有可能突破传统结构，甚至还可能引起一场材料与技术的革命，产生新的产品设计风格。因此，设计工作应与新材料开发建立一种互相融合的关系。②产品外观形象要具有未来性。新材料的使用，不仅对产品外观可以起到新颖美观独特的装饰作用，使设计本身变得更简洁，合理，更具时代感。③材料在与功能相适应的同时，还要有良好的触觉质感和更好的可操作性。通过新材料的使用，设计应最大限度地赋予产品新的魅力。④设计应进一步开发传统材料，使之在现代生活中具有新的意义。一般认为，新材料的研究与开发主要包括四方面的内容：①新材料的发现或研制。②已知材料新功能、新性质的发现和应用。①已知材料功能、性质的改善。④新材料评价技术的开发。3．3新材料的开发方向可以看出，新材料的研究与开发主要围绕着材料本身的功能和性质这一主题。但是，一种新材料的出现是否对人类文明产生深刻影响，是否能满足人类生活的需求，仅仅考虑上述问题则不够，还必须考虑新材料的产业化、商品化，这样才能使人们享受到实惠，对人类文明产生促进作用。材料产业化必须重视如下问题：原料的自然分布，材料的成型与加工性能，材料的可回收率和环境保护。从可持续发展的角度看，最大效益应该是综合考虑上述几方面因素的效益。1、基础材料的开发基础材料是指金属、木材、玻璃、陶瓷、塑料等常见材料。这些材料由于其特性的限制，不能在更多的领域中应用。因此新材料的开发往往是对基础材料的性能进行改良开发，进一步探索材料的组成、结构的性能，以提高或替代原有材料的特性为具体目标，使材料扬长避短，从而获得期望的材料特性，扩大材料的使用范围。在日常生活与设计实践中几乎离不开塑料，但由于塑料特性的限制使它不能在更多的领域应用，因此就对高分子材料的性能提出了新的要求，如表5—1和表5—2所示。2、复合材料的开发复合材料是指两种或两种以上不同化学性质或不同组织结构的材料，通过不同的工艺方法组成的多相材料，它具有单一素材无法取得的机能。这些机能包括：①各素材所保持的机能。②在复合与成型过程中形成的机能。②由复合结构特征产生的技能。④复合效应所致的机能。由于可用于复合的素材种类繁多，所以组合成的复合材料也不计其数。如将之归类，至少可能有如图5-5所示的10类。其中每一根线的两端指示一种可能的组合。①弥补某些有用材料的缺点，以更好地发挥有用的机能。②利用具有某些特性的材料以构成单一材料无法实现的特性。③产生从未有的新机能。复合材料涵盖面很宽，目前常采用如下方法分类。①按基体分类：有金属基复合材料和高分子(树脂)基复合材料。②按添加物的几何形状分类：有颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料、叠层增强复合材料、弥散增强复合材料等。开发复合材料的目的：3．纳米材料与纳米技术纳米材料与纳米技术是一种基于全新概念而形成的材料和材料加工技术，是当前国际前沿研究课题之一。(1)纳米材料纳米材料是由纳米级原子团组成的，由于其独有的体积和表面效应，它从宏观上显示出许多奇妙的特征。①体积效应：当粒径减小到一定值时．材料的许多物性都与晶粒尺寸有敏感的依赖关系，表现出奇异的小尺寸效应或量子尺寸效应。例如，当金属颗粒减小到纳米量级时，电导率已降得非常低，原来的良导体实际上已完全转变为绝缘体。②表面效应：纳米材料的许多物性主要是由表面决定的，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径。例如，普通陶瓷在室温下不具有可塑性，而许多纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性变形。纳米材料的塑性变形主要是通过晶粒之间的相对滑移实现的。正是由于这些快扩散过程，纳米材料形变过程中一些初发微裂纹得以迅速弥合，从而在一定程度上避免了脆性断裂。纳米加工技术的核心是原子或分子位置的控制、具有特殊功能的原子或分子集团的自复制和自组装。科技界认为，纳米材料与纳米技术可能引发下一场新的技术革命和产业革命，成为21世纪科学技术发展的前沿。它们不仅是信息产业的关键之一，也是先进制造业最主要的发展方向之一。正如美国科学家阿莫斯特朗在上世纪所说：“正像20世纪70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下世纪信息时代的核心”。纳米材料和纳米技术在21世纪的发展前景和影响是不言而喻的。(2)纳米(加工)技术